城市电网电缆充电功率计算及补偿研究

董 红 郭 挺 高艳娜 郭子轩

（南方电网广东广州供电局，广东 广州510610）

随着经济的快速发展和城市化进程的加速，电缆在城市电网中的应用也越来越广泛，以广州电网为例，截止2019 年底，110kV 及以上线路中电缆线路回数占比达45%、线路长度占比21%。相对架空线路，电缆具有阻抗较小、不受环境影响可靠性高、可大大改善市容市貌等优点。但相对架空线路，电缆有较大的对地电容效应，在交流电压作用下产生容性无功功率，即对系统产生无功充电功率，不利于电网的安全稳定运行。尤其在节假日低谷负荷期间，电缆充电功率对系统电压的影响更为明显，有必要对电缆充电功率对系统运行的影响进行分析。

1 电缆的充电功率计算

电缆线路的π 型等值电路如图1 所示：

图1 线路π 型等值电路示意图

π 型等值电路下，线路的充电功率计算如公式（1）所示：

式中：Qc为线路ij 的充电功率，Bij为线路对地电纳，Ui、Uj为线路两端电压。

由公式（1）可见，电缆的充电功率与电缆的对地电纳的大小及电压等级的平方成正比。在实际的工程的近似计算中，通常采用的计算公式如公式（2）所示。

式中：Qc为线路充电功率；Xc为电缆等值对地电容的电抗值；U 为电缆等效电压，在近似计算中可采用供电母线电压。电缆充电功率与电缆截面和电压等级有关，不同型号的电缆其充电功率也各不相同。基于广州电网各电压等级常用电缆型号，结合各截面电缆线路电容参数，利用公式（2）对10～220kV 交联聚乙烯电缆单位长度充电功率计算如表1 所示。

表1 10～220kV 交联聚乙烯电缆单位长度充电功率计算表单位：kvar

2 电缆充电功率对系统电压的影响

由公式（1）及表1 可知，电缆的电压等级越高、电缆截面越大、线路越长，产生的无功充电功率越大，由于无功功率在电网中流动，将导致其他节点电压发生变化。为进一步分析充电功率对电网电压的影响，以供电广州中新知识城的科北片区电网为研究模型（片区电网接线示意图如图2 所示，合计220kV 电缆长度约160km），采用BPA 程序，对该局部系统在220kV 线路采用架空电缆型式，低谷负荷期间对近区220kV 节点无功电压变化情况进行研究。低谷负荷期间不同线路型式下近区电网220kV 节点电压情况如表2 所示。

图2 规划某年科北供电片区电网接线示意图

表2 科北供电片区各220kV 节点电压情况 单位：kV

由表2 可知，当线路采用电缆型式后，比采用采用架空型式电压升高约18.9～21.7kV，升高比例约9%。其中，电缆线路较长的山口站、汉田站（山口- 汉田2×22km、科北- 山口2×20km）电压升高最大，分别升高20.2kV 和21.7kV。即电缆充电功率对系统电压的影响较大。

3 电缆充电功率的补偿

随着城市电缆化率的不断提高，电缆充电功率带来的无功功率对电网运行产生影响。通过无功补偿可以改善电力系统无功平衡状态，提高系统电能质量，同时降低电网运行成本。

3.1 充电功率补偿计算

对电缆充电功率的补偿计算，主要是确定低谷负荷期将系统节点功率因数调至规程规范要求标准所需补偿的无功补偿容量。假定电缆充电功率为ΔQC，变电站低压侧需补偿的电抗器容量为QL，电缆充电功率补偿后变压器高压侧的功率因数cosφ 计算如公式（3）所示：

根据南方电网公司《电力系统电压质量和无功电力管理标准》的规定，变电站装设的无功补偿装置应避免大量无功电力穿越变压器，35～220kV 变电站在低谷负荷时功率因数应不高于0.95。即在系统低谷负荷期间，变压器高压侧功率因数cosφ≤0.95。据此，可以得出系统低谷负荷期补偿电缆充电功率所需低压无功补偿容量QL的计算如公式（4）所示。

3.2 充电功率补偿设备选择

通常，系统的充电功率补偿可以采用同步调相机，高、低压并联电抗器或者静止无功补偿装置（如SVC、SVG）进行补偿。

3.2.1 同步调相机

同步调相机可根据系统的需求，自动在电网电压下降时增加无功输出，在电网电网上升时吸收无功功率，以维持电压，提高系统稳定性，是一种专门的无功功率发电机。它具有跟踪速度快、补偿范围广（容性、感性均可）、故障率低等优点；但同步调相机也存在运行维护比较复杂、小容量调相机单位容量投入费用较高等缺点。通常用于大型电网无功的大容量集中补偿，容量一般大于10Mvar，多装设在枢纽变电站、换流站等。

3.2.2 并联电抗器

相比调相机，并联电抗器结构简单，易于维护，设备投资和运行维护费用都较小，具有较好的经济优势；高压电抗器则一般直接接在高压线路上，通过断路器进行投切，起到限制工频过电压及操作过电压，降低了相应设备的绝缘水平；低压电抗器一般接在变电站低压侧母线上，造价低，操作方便。通常应在低压电抗器投切时所产生的本母线电压波动不宜大于额定值的2.5%。

3.2.3 静止无功补偿器

静止无功补偿器（SVC）是一种没有旋转部件，将可控的电抗器和电容器并联使用。可以根据无功的变化情况，对电抗器进行快速精确调节，其动态响应时间短，可实现平滑调节。其缺点是本身会产生谐波，需配套配置电力滤波器。相对低压电抗器，其造价较高，较多应用于对于日负荷波动较大或者缺少电压支撑的地区。

3.2.4 静止无功发生器

静止无功发生器（SVG）是指自由换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。SVG 并联在电网中相当于可变的无功电流源，其无功电流可以灵活控制，自动补偿系统所需的无功功率。其响应速度快、稳定无功电压效果好，在降低系统损耗、降低谐波、减少占地面积等方面均有较好优势。

在实际应用中，应针对不同设备的技术特性及适用环境，结合系统需求合理选取无功补偿设备型式。

4 结论

电缆有较大的对地电容效应，在交流电压作用下对系统产生无功充电功率，进而引起系统电压偏高甚至越限，不利于电网的安全稳定运行。尤其在低谷负荷期间，电缆充电功率对系统电压的影响更为明显。需对系统相关节点进行充电功率及无功平衡计算，并结合不同无功补偿设备的技术特性及适用环境，提出改善电网无功电压运行的具体补偿方案，以提高系统安全稳定运行水平，同时提高电能质量、降低电网运行成本。